Produccin industrial de urea
La sntesis de urea a nivel industrial se realiza a partir de amonaco (NH3) lquido y anhdrido
carbnico (CO2) gaseoso. La reaccin se verifica en 2 pasos. En el primer paso, los reactivos
mencionados forman un producto intermedio llamado carbamato de amonio y, en la segunda
etapa, el carbamato se deshidrata para formar urea.
Surge un problema dado que las velocidades de las reacciones son diferentes. La priera
etapa es mucho ms rpida que la segunda, con lo cul el carbamato intermedio se acumula.
Adems, la primera reaccin no se verifica por completo, por lo que tambin quedan
amonaco y dixido libres. En adicin a esto, debe mencionarse que el carbamato es un
producto altamente corrosivo, por lo cul lo que se hace es degradar la parte de carbamato
no convertida a urea en sus reactivos de origen, y luego volver a formarlo.
Vemos que la primera reaccin es exotrmica, y la segunda es endotrmica.
Un problema del proceso es que en el segundo paso de la reaccin, se forma un producto
llamado biuret, que resulta de la unin de dos molculas de urea con prdida de una
molcula de amonaco. Este producto es indeseable por ser un txico. Por esta razn es
necesaria su eliminacin.
Segn lo expuesto, el proceso completo de produccin de la urea puede separarse en las
siguientes etapas.
1. Obtencin de CO2
2. Obtencin de amonaco
3. Formacin de carbamato
4. Degradacin del carbamato y reciclado.
5. Sntesis de urea
6. Deshidratacin, concentracin y granulacin
Diagrama del proceso completo de produccin de la urea
Obtencin de CO2
El CO2 se obtiene a partir de gas natural, mediante la reaccin conocida como reforming.
Antes del reforming, deben separarse las impurezas del gas, tales como gotas de aceite,
partculas de polvo, y sobre todo desulfurar el gas, ya que el azufre interfiere con la accin
de los catalizadores.
Luego de purificar el gas, se procede a la obtencin de CO2 mediante dos etapas de
reforming cataltico con vapor de agua. El calor necesario para la reaccin, la cul es
endotrmica, proviene de la combustin del gas natural y de los gases parcialmente
reformados. Se deja entrar aire al reactor para obtener la relacin necesaria de H2/N2 para la
posterior obtencin del amonaco. La reaccin es la siguiente
2 CH4 + 3 H2O CO + CO2 + 7 H2
Las dos etapas de reforming se verifican segn la reaccin expuesta, y a la salida de la
segunda etapa, se obtiene un gas con las siguientes proporciones: 56% H2, 12% CO, 8%
CO2, 23% N2 y menos de 0,5% CH4.
Para eliminar el CO y convertirlo en CO2, se realiza la conversin de CO haciendo que
reaccione catalticamente con vapor de agua para formar CO2 y H2 usando hierro y cobre
como catalizadores.
Del gas resultante se separa el CO2 mediante una solucin de mono etanol amina (MEA),
mediante la siguiente reaccin:
MEA (CO2) MEA + CO2
Compresin del anhdrido carbnico
El dixido resultante es enviado a dos etapas sucesivas de compresin en las cules se eleva
la presin a 160 atmsferas absolutas. Al dixido se le agregan pequeas cantidades de aire
pasivante para inhibir la accin corrosiva.
Obtencin de amonaco
El otro reactivo necesario para la produccin de urea es el amonaco. ste se obtiene a partir
del gas reformado separado del CO2. Se produce primeramente una etapa de metanacin
para convertir a metano las bajas proporciones que quedan de CO y CO2 en circulacin, dado
que stos interferiran en la accin del catalizador en la etapa final de sntesis del amonaco
CO + 3 H2 CH4 + H2O
CO2 + 4 H2 CH4 + 2 H2O
Luego de la metanacin, el gas circulante se compone de aire, metano y vapor de agua, los
cuales reaccionan con catalizador de hierro para formar amonaco en estado gaseoso segn:
7 CH4 + 10 H2O + 8 N2 + 2 O2 16 NH3 + 7 CO2
el amonaco gaseoso se condensa por enfriamiento y se separa del gas para almacenarlo a
presin de unas 13 atmsferas. El amonaco gaseoso remanente es recirculado al loop de
sntesis.
Formacin del carbamato
La reaccin de sintesis de Urea se lleva a cabo a altas presiones (200 bar) y el nivel trmico
ptimo (190C) en un reactor construido en acero inoxidable especial.
La reaccin se produce entre el amonaco, el CO2 y la solucin reciclada de carbamato,
proveniente de la etapa de absorcin.
El carbamato de amonio se forma a partir de CO2 y NH3 segn la siguiente reaccin (esta
reaccin genera calor):
2NH3 (g) + CO2 (g) NH2 COONH4(l)
?H= -117 kJ/mol
Amoniaco + Gas Carbnico Carbamato de Amonio
Antes de ingresar al reactor, el CO2 es comprimido hasta 200 atm, mediante un compresor
elctrico y el amonaco hasta 145 atm.
El NH3 y el CO2 reaccionan rpida y exotrmicamente, en una primera etapa, para formar el
carbamato, que luego se deshidrata a urea + agua. Esta reaccin logra cerca del 100% en
condiciones normales.
Descomposicin del carbamato.
No todo el Carbamato de Amonio se descompone en Urea y Agua. La fraccin que se
descompone para formar Urea en relacin a la cantidad total que ingresa al reactor se
denomina conversin. La conversin de Carbamato en Urea en el reactor est en el orden de
70%. Es decir que de cada 100 Kg de carbamato que se forman, slo 70 Kg pasan a Urea. El
resto debe reciclarse permanentemente y en forma contnua al reactor para lograr una
conversin total.
Como habamos visto, el carbamato se forma mucho ms rpido que la urea. Al ser
altamente corrosivo, su manejo es muy difcil. Por sta razn, lo que se hace es degradarlo
nuevamente a NH3 y CO2 para luego volver a formarlo.
La reaccin de descomposicin:
NH2 COONH4 (l) 2NH3 (g) + CO2 (g)
Se logra de dos formas:
1. Bajando la presin y temperatura, se desplaza el equilibrio hacia los reactivos. Luego
la mezcla gaseosa se vuelve a comprimir causando su recombinacin. Si hay amonaco en
exceso, este se separa en forma gaseosa de la solucin de carbamato. Para disminuir los
costos totales de la recompresin, esta se realiza en dos etapas.
2. La otra forma es mediante el stripping del amonaco, desplazando la reaccin hacia
productos. Al bajar la presin parcial del reactivo, el sistema evoluciona hacia su equilibrio
degradando el carbamato. Esta forma tiene la ventaja de poder hacerse a la presin de
sntesis, lo que reduce el costo de recompresin.
Sntesis de urea.
El carbamato se deshidrata a urea mediante la reaccin:
NH2 COONH4 (l) NH2 CO NH2 (l) + H2O (l)
?H= +15.5 kJ/mol
Como se ve, la reaccin es endotrmica, y habamos dicho que es mucho ms lenta que la
de produccin de carbamato. La cintica de la reaccin aumenta con la temperatura, con una
mayor relacin NH3/CO2 y disminuye con una mayor presencia de agua.
La produccin de la Urea se realiza en un reactor vertical, que opera a 188 190 C y 160
Kgf/cm2 absoluta, una relacin N/C de 3,6 3,8, un tiempo de residencia de alrededor de 45
minutos y un grado de conversin (en un paso) del 65 70 %.
Esta operacin combina la formacin de carbamato (exot., rpida) en su parte inferior, por la
alimentacin de CO2 y NH3 en exceso y la descomposicin del carbamato en urea (mucho
mas lenta y endotrmica).
Formacin de biuret
El biuret se forma cuando dos molculas de urea se unen liberando una molcula de
amonaco segn
2 NH2 CO NH2 NH2 CO NH CO NH2 + NH3
Se trata de una sustancia altamente txica para las plantas, por lo cul su concentracin en
la urea debe ser muy baja, menor al 0.4%. Para lograr bajas concentraciones se usa un
exceso de amonaco en la sntesis de urea.
Concentracin
La corriente de Urea y agua obtenida en las etapas de Descomposicin, la cual contiene
aproximadamente 70% de Urea, es concentrada al 80% en un concentrador de vaco
mediante la aplicacin de calor externo utilizando vapor de agua. Esta corriente se denomina
Urea de Sintesis, y es bombeada hacia la unidad de Evaporacin.
Evaporacin
La corriente proveniente del Concentrador se sigue concentrado en dos etapas de
Evaporacin, la primera de ellas (se concentra hasta 95 %) operando a 0.3 Kg/cm2
absolutos y la segunda (se concentra hasta 99.8 %) a muy alto vaco, para lograr la
evaporacin del agua sin descomponer trmicamente la Urea. Un equipo clave de esta etapa
es un eyector de importantes dimensiones que permite lograr los niveles de vaco
requeridos.
Se obtiene de este modo una corriente de Urea fundida a 132 C con muy bajo contenido de
agua, del orden de 0.5%. Esta corriente es enviada a la Torre de Prilling para la formacin de
perlas de Urea.
Granulacin
Luego se pasa al perlado de Urea (formacin de pequeas perlas del orden de 2 4 mm de
dimetro) se realiza en la Torre de Perlado (Torre de Prilling).
La Urea fundida es bombeada a la parte superiror de la torre de 80 mts de altura y 16 mts.
de dimetro. Mediante un canasto giratorio con unas 6000 pequeas perforaciones se logra
obtener una lluvia de Urea fundida, cuyas gotas se van solidificando primero y enfriando
luego durante su cada libre, a la vez que se hace circular aire en sentido contrario mediante
grandes ventiladores ubicados en la parte superior de la torre.
Se obtiene de este modo el producto final, a unos 40 50 C de temperatura, el cual
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